“A2/O生物前处理-人工湿地”工艺在农村生活污水处理中的应用示范*

(四川省水利科学研究院，成都，610072)

目前，四川省共有4.5万个行政村，总数位列全国第三。散居、分布量大、面积广、人口众多且大部分地区经济基础较薄弱是四川农村的主要特点[1]。据住建部最新统计，四川农村生活污水平均处理率只有20%，由于大部分村落基础设施建设不足，生活污水散排现象仍十分严重，因此农村污水处理仍然是当前我省农村人居环境整治的最大难点[2]。

为深入实施污染防治“三大战役”，补齐农村生活污水处理设施建设短板，缩小城乡二元化差距。2018年3月，四川省政府印发了《四川省农村生活污水治理五年实施方案》，方案提出，从2018年开始，分三阶段逐步推进全省农村生活污水处理设施建设，污水处理保障能力和服务水平得到全面提升：污水处理率必须从第一阶段50%提升到第二阶段的90%，截止第三阶段末(2022年)实现全省所有行政村农村生活污水处理全覆盖[1]。同时还要求各地各部门积极探索符合四川省农村特点、可复制可推广的农村生活污水治理模式，以全面提高农村人居环境质量。

由于农村各地环境的特殊性，使其无法按照统一的、规模化处理的模式推广，必须因地制宜综合考虑各方面因素，因此，笔者在大量现场调研的基础上，选择了成都平原地区极具代表性的一处农村社区开展生活污水“A2/O生物前处理-人工湿地”组合工艺的探索与示范。本着“因地制宜，分类治理，应集尽集，应治尽治”的原则，在综合考虑了当地经济发展水平、财政状况、污水规模和农民需求等多方面因素的情况下，改造并设计了该工艺。实践证明该工艺投资小、管理维护简便，运行半年以来生态环境效益明显，受益群众反应良好，为我省农村社区生活污水治理模式的选择积累了较成功的经验。

1 工程概况

1.1 小区情况

本项目工程为一集中式农村居民社区，地处四川省成都市都江堰市大观镇西南侧，小区目前有6栋居民楼，共285户，人口约900人。由于小区地势处于全镇最低，因此，该镇是目前唯一未接入市政管网的社区。小区共设有4个化粪池，生活污水主要包括厨房用水、洗衣和洗浴用水、卫生间冲洗废水等。原污水处理工艺为：化粪池-收集池-好氧池-人工湿地-排入河道。但由于原工艺疏于管理，目前各环节均已无法正常运行，污水收集池污泥淤积严重；好氧池无曝气充氧；人工湿地植物发育不良，杂草丛生；湿地内部管道堵塞，涌水严重，散发恶臭，蚊蝇滋生；湿地后排水河沟生境破坏，岸坡裸露，垃圾遍布，河道水体轻度黑臭，居民生活受到严重影响，居民对小区环境改造意愿十分强烈。小区原污水处理工艺参数和流程分别如表1和图1所示。

表1小区原污水处理单元主要参数

图1 小区原污水处理工艺流程

1.2 生活污水水质水量调查

生活污水进水和人工湿地出水分别采集于化粪池前端的破损管道和人工湿地出口，水质监测结果见表2。监测发现，进、出水水质差别较小，说明整个工艺流程并没有正常发挥作用；同时根据《四川省用水定额》(DB 51/T 2138-2016)，本地农村居民生活用水定额为120L/人·d，并结合该区村民生活习惯和建筑给排水设施水平，污水排放量按用水定额的80%计，推算该区最大污水排放量约86.4m3/d。根据主要污染物的平均排放浓度，推算出小区主要污染物日排放量情况见表3。根据对本小区水质水量的调查，对组合工艺设计日处理污水规模为100m3/d。

表2小区生活污水原进出水水质情况 单位：mg/L

表3小区生活污水排放量及主要污染物负荷

2 污水处理工程改造

2.1 工艺流程改造

由于原工艺的有机物去除和脱氮除磷效果不佳，因此在原工艺的基础上增加一个地埋式“兼氧调节池”和曝气池后端的泥水“回流渠”，目的是在原来工艺流程中增加一个兼氧和回流过程，从而形成“A2/O”工艺，一是为了提高营养物和有机物质的去除率，二是提高系统整体脱氮除磷的效果。

图2 新工艺流程结构

增加的“兼氧调节池”一方面可稳定从污水收集池溢流而来的污水水质和水量，另一方面还可促进反硝化过程的进行，同时进一步沉淀水体中悬浮物。在“A2/O”前处理工艺后再连接潜流式人工湿地，以实现深度脱氮除磷以及美化农村环境的作用。

2.2 人工湿地改造

2.2.1 湿地床体

床体内基质填充厚度约100cm，基质粒径级配从下至上依次为：40mm～50mm 砾石(约30cm厚)；20mm～25mm陶粒(30cm厚)；15mm～20mm 的小砾石(约20cm厚)；10mm～15mm小砾石+20%石英砂(约20cm厚)。距基质表面上方10cm 处布设穿孔布水管，湿地底部及距底部 20cm处分别设有排空管与出水取样口，床体垂直布有通气管(同时起到溢流作用)。出水取样口位于尾水池内，尾水池出水直接排入周边小沟渠。

2.2.2 植物配置

在植物配置方面，根据当地的气候、地形和人文景观条件，优先选用了成本低廉、易于管理的本地植物。项目根据湿地进出水水质和植物抗污染负荷能力，首选了有一定观赏价值且成活率较高、耐污力较强、根系发达的3种湿地植物，即菖蒲、美人蕉和伞草。根据湿地管网推流特征，湿地前1/3段种植菖蒲，中部1/3段种植美人蕉，后1/3段种植伞草，种植时平均株高为30cm～40cm，种植间距均为20cm×20cm。

2.3 排水沟改造

人工湿地的出水直接排入一小河沟，该河沟长约70m，平均水深不足30cm，流速缓慢，河沟水流最终汇入同一灌溉渠道。前期勘察发现该河沟水质污浊，垃圾腐叶漂浮，蚊蝇滋生，水体呈轻度黑臭。因此，河沟的改造首先采取清淤和垃圾打捞措施；其次，岸坡固土植物种植，选取了美人蕉、千蕨菜和栀子花三种“走根”较快且具观赏性的植物；最后，沟底植物的种植，选择了金鱼藻，以增加水体复氧能力，重建水下生境。

2.4 组合工艺运行方式设置

小区所处地区属中亚热带季风湿润气候区，年均气温15.2℃，四季分明，夏季最热为7-8月，平均气温约15℃，最高气温约28℃；冬季最冷为1-2月，平均气温为4.6℃，平均最低气温约1℃。 由于温度对整个工艺的影响较大，尤其是水温对“A2/O”生物工艺酶促反应速率和微生物代谢速率的影响，以及气温对湿地植物生长的影响，因此总体来说夏季的处理效果优于冬季。通过前期反复测试，本工艺流程分别针对冬、夏季节设置了不同的运行方式，以尽可能保证稳定的出水效果。

经“A2/O”生物工艺处理后的污水，由蠕动泵加压通过穿孔布水管引入湿地。湿地的进、出水均由PLC时控计及电磁阀进行控制。刚种植的湿地植物需经一段时间的缓苗，之后组合工艺中各环节按照序批式方式运行。

(1)冬季：采取“进水-厌氧3h-兼氧4h-好氧5h-人工湿地10h-出水-湿地空床2h-下一个周期”；

(2)夏季：采取“进水-厌氧3h-兼氧4h-好氧3h-人工湿地14h-出水-下一个周期”。

“A2/O”工艺好氧段采用变频罗茨风机供氧，根据DO仪表指数反馈供氧量；此外，在湿地运行中，尝试采用“进水-反应-排水-空床”的方式(尤其冬季)，一是使床体饱和浸润面产生周期性变化，将大气中的氧吸入地基质内，以改善湿地内的氧环境，从而强化湿地对有机物及氨氮的去除[3]；二是由于冬季湿地植物停止生长甚至枯萎，导致人工湿地的净化能力降低，因此，设置生物前处理工艺流程时间要多于夏季，以弥补低温湿地功能的不足。

3 组合工艺建设成效

3.1 组合工艺运行效果

本组合工艺工程完成后，前段“A2/O”生物处理工艺即可开始运行，经过前2个月的运行调试(包括充氧效率、泥水回流比、回流泵参数、MLSS浓度比等)，该段工艺出水水质较稳定；后段人工湿地在植物繁育茂密的第3个月后出水水质较为稳定。该组合工艺正常运行后，小区原来存在的主要水环境问题均得到解决，小区水体不再散发恶臭、湿地植物繁茂，排水正常、小区屋后排水沟水体变得清澈，大大改善了小区及周边河沟的生态环境，工程运行效果明显。

图3 组合工艺运行后周边水环境改善

3.2 水样水质情况

组合工艺正常运行后，每月对进、出水进行采样监测，其中出水样采集2个：“A2/O”工艺出水(A口)、人工湿地出水(B口)，主要对pH、CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP 等 6项指标进行考察，水质监测数据见表4。

表4水样水质监测情况 单位：mg/L

通过表4水样监测数据表明，将该组合工艺用于农村生活污水处理，出水效果明显。前段“A2/O”生物工艺出水指标均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，其中除NH3-N去除率为66%外，其他几个指标均达到了80%的去除率；而后段人工湿地处理则将污染物去除率进一步提高，出水基本能达到一级A标准，尤其是BOD5、SS、TP三个指标去除率达到了90%以上，表明将人工湿地用于“A2/O”生物前处理措施之后能进一步有效提高污染物的去除率。对于脱氮除磷方面，人工湿地的作用也较明显，NH3-N去除率由66%提高到79%，TP去除率由80%提高到90%。

4 问题及建议

4.1 “A2/O”生物前处理工艺

4.1.1 污泥膨胀

在“A2/O”生物处理工艺中，有可能发生污泥膨胀的问题，而污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀两类。当水温较低，且污泥负荷较高时，则容易发生非丝状菌膨胀，这种情况下细菌由于吸附了大量的有机物，使其沉淀压缩难度增加，但这并不是坏事，因为当非丝状菌膨胀时污泥尚具有较好的生化处理效能，出水质量也能保障，但是一旦丝状菌膨胀发生，则会影响出水效果，因此应避免丝状菌膨胀现象的发生[4]。丝状菌膨胀现象以污泥镜和出水水质作为判断依据，建议可采用投加铁盐、铝盐等混凝剂的措施来增强污泥沉降性，以保证出水水质；亦可在回流渠中投加过氧化氢，以打破丝状菌结构，快速降低 SVI 值，但以上方法仅只作为临时应急采用，并不是解决污泥膨胀的根本性办法。长期有效措施则建议动态监控“A2/O”各池中的DO浓度，以确保污泥混菌始终处于交替“缺氧-好氧”状态，使有机物浓度能保持周期性变化，这样才是防止污泥膨胀的根本措施。

4.1.2 O段(好氧池)曝气

由于潜流人工湿地内的厌氧状态是导致脱氮效果差和胞外聚合物积累的重要原因，因此，通过前端好氧池曝气水体增氧来改善湿地的氧化环境是提高其脱氮效果的重要措施之一[5]。该方法已在相关研究中得到印证，Chazarenc等[6]在水平潜流人工湿地中采用了湿地前端曝气方法，提高了总氮的去除率，同时减少了堵塞物(主要是有机物)的积累，使湿地前端微生物的数量大大增加。但同时要注意曝气强度和碳源问题，以防反硝化强度不够导致硝酸盐过量积累[7]。

4.2 人工湿地工艺

4.2.1 湿地空床时间

本项目中冬季增加人工湿地空床时间主要是为了增强湿地的自然复氧能力。通过调控湿地运行方式，采取“进水-滞留-排水-闲置”的方式运行，使人工湿地的复氧主要包括植物根系泌氧、大气扩散输氧、排空瞬间湿地饱和浸润面变化产生负压力吸入氧气，湿地空床期间由于床体与大气中的氧气存在浓度梯度而产生的对流输氧[8]。有研究表明，适当地增加空床时间能提高人工湿地的复氧量，提高湿地内部微生物的数量与活性，从而增强对污染物的去除效果[9]。但目前该类研究较少，因为空床时间会直接影响植物的生长，因此，目前只是做了初步尝试，还应进一步加强人工湿地最佳空床时间的探索，以及空床时间对湿地脱氮除磷效果和植物生长指标的研究。

4.2.2 基质的粒径及级配

本项目中人工湿地类型属于水平潜流，因此在如何减少短流和死区等方面做了一些探索。由于不同基质的吸附性能存在明显差异，且基质的孔隙率、渗透系数、含水率、化学成分等也直接影响着人工湿地堵塞情况的发展[10]。粒径较大的基质，其孔隙大，可以有效地防止堵塞的发生；粒径较小的基质，其表面积大，有利于增加湿地中微生物的数量。应根据不同基质粒径下的流体特性，采取合理的基质级配，改善人工湿地内流场分布，这样不但能减少湿地内的短流和死区，也能改善基质不同深度上的氧化还原状态，以减缓堵塞的发生。本项目设计的基质粒径与级配，在运行了6个月后效果良好，未发生堵塞现象。

4.2.3 湿地植物

在湿地植物的选择和配置方面，建议选择耐污力强和净化力强的湿地植物。湿地植物的耐污能力、净化能力、吸收污染物类型等有所不同，要根据污水类型和污染程度，选择合适的湿地植物。在本项目中运行第4个月发现伞草的耐污力较弱，由于前段生物工艺出现过流程调试，湿地进水污染负荷较高，伞草出现了大片倒伏死亡的情况，因此，后期湿地又补种了再力花和栀子花等走根较快的本地植物。因此，人工湿地建议要选择抗性强的植物。

一旦前段工艺出现故障，人工湿地植物会承受较高的污染负荷，因长期接触浓度较高的污水，同时污水容易滋生细菌，易发生病虫害，所以要选择一些抗逆性强(包括抗病虫害能力、耐盐性、耐高温性以及耐寒性等)的湿地植物，保证生长稳定、易于管理，有利于污水净化。

5 结论与展望

(1)本项目采用了“A2/O生物前处理-人工湿地”工艺处理农村社区生活污水，效果明显、流程控制简便、运维费用较低、出水较稳定。污水中CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP总的去除率分别能达到86%、94%、79%、95%、90%。各指标出水水质基本能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级 A 标准。湿地出水可直接回用于农田灌溉、畜禽饲养、渔业养殖等，示范效果明显。

(2)本组合技术前期投入主要集中在池体改造、工艺流程改造、人工湿地重构等方面，一旦流程确定，通过时控器和PLC控制，后期可实现自动控制，运行维护简便。日常运维费则主要包括电费、少量药剂费和人工费等。项目的环境效益、经济效益、社会效益较明显，运行后受益群众反映良好。

(3)目前各地已有一些人工湿地与其它生物工艺相结合的工程案例，如“好氧+人工湿地”工艺处理屠宰场废水，“A/O+铝污泥填料人工湿地”组合工艺处理农村生活污水，加强型化粪池/潜流人工湿地组合工艺处理农村生活污水等，均取得了一定的成效[11-13]，然而组合工艺的研究更多的是注重实效性和应用性，而对后端湿地植物具体的净化过程并不十分清楚。因此，在未来的研究中，技术人员应重视以下两个方面：一是如何实现组合工艺的长效脱氮除磷以及湿地长期运行过程中的污染物去除机理和去除动力模型；二是加强湿地植物在冬季如何保持其原有的去污能力方面的研究，使构建的人工湿地尽可能全年保持其原有设计净化能力。